Circuitos Crowbar: Como Protegem Contra Sobretensão

Diagrama de Circuito Crowbar para Proteção contra Sobretensão

O que é Circuito Crowbar?

O circuito crowbar é basicamente um circuito elétrico usado para prevenir o circuito de condição de sobretensão. Opera colocando um curto-circuito ou caminho de baixa resistência através da saída de tensão, muito parecido com derrubar uma pé de cabra (crowbar) através dos terminais de saída da fonte de alimentação, daí o nome. O circuito crowbar é um tipo de circuito de proteção contra sobretensão.

Um circuito crowbar é diferente de outros circuitos de segurança ou travamento, por exemplo, um clamp em puxar. Uma vez disparado, a tensão cai abaixo do nível de disparo, geralmente próximo ao terra. Um crowbar não retorna à operação normal quando a condição de sobretensão é removida.

Baseado na operação, um crowbar ativo é definido como um crowbar que pode remover o curto-circuito quando o transiente é removido, fazendo o dispositivo retomar sua operação normal. Crowbars ativos são usados quando as chances de um transiente ocorrer são altas e frequentes, em circuitos como circuito de rotor de geradores duplamente alimentados contra transientes de alta corrente e tensão ocorridos por surto de tensão na rede de energia. Assim, o gerador pode passar pela falha e continuar operando rapidamente mesmo durante a queda de tensão.

O circuito crowbar tem uma baixa tensão de manutenção que permite transportar corrente de falha mais alta sem perder muita potência durante o processo. A menor perda de potência no circuito crowbar o torna uma opção mais preferível quando comparado a outros dispositivos de segurança.

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Componentes Necessários

1. Fusível
2. Diodo Zener
3. Diodo Schottky
4. Tiristores (SCR)
5. Resistores
6. Capacitores

Diagrama do Circuito Crowbar

O diagrama de circuito acima é o circuito crowbar, que é simples e fácil de implementar. O circuito também é custo-efetivo e uma solução rápida para proteção contra sobretensão. O diagrama completo do crowbar junto com os valores calculados dos componentes usados.

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Fusível

Um fusível é um dispositivo de segurança elétrico usado para fornecer segurança ao circuito contra picos de sobrecorrente. Seu componente essencial é um fio ou tira de metal usado em série ao circuito. Quando a corrente no circuito é muito alta, a tira de metal derrete, interrompendo o circuito. Os valores do limite de corrente em um circuito dependem apenas do ponto de fusão da tira de metal. É um dispositivo sacrificial, o que significa que, uma vez operado em um circuito para interrompê-lo, deve ser substituído ou rebobinado baseado no tipo.

Fusíveis têm sido usados por muito tempo e com o tempo evoluíram para trabalhar baseados em classificações de corrente e tensão muito específicas, capacidade de interrupção e tempos de resposta, dependendo da aplicação.

Existem outros dispositivos também disponíveis para a mesma aplicação, chamados disjuntores. Disjuntores podem ser usados como alternativa aos fusíveis, mas têm características significativamente diferentes. Em geral, o elemento do fusível é de Zinco, cobre, alumínio ou liga para obter características previsíveis e estáveis.

Uma representação esquemática geral de um fusível é dada abaixo.

O símbolo do fusível pode ser diferente baseado em diferentes representações. No circuito acima, há quatro representações, a primeira sendo representação IEC e as duas restantes baseadas em representação IEEE.

Fusíveis são amplamente usados porque vêm com seu próprio conjunto de vantagens. Algumas estão listadas abaixo:

1. Fusível é o dispositivo mais barato disponível para proteção de um circuito elétrico.
2. Fusível não precisa de manutenção.
3. Operação do fusível é simples e sem complexidade.
4. Fusível tem a capacidade de interromper enorme corrente de curto-circuito sem produzir ruído, chama, gás ou fumaça.
5. O tempo de operação para um fusível pode ser muito menor que a operação de um disjuntor.

Claro, junto com todas as vantagens, também existem desvantagens, embora não tantas quanto as vantagens. Duas são dadas abaixo:

1. Durante curto-circuito ou sobrecarga, uma vez que o fusível queima, a substituição do fusível leva tempo. Durante este período, o circuito perde energia.
2. Quando fusíveis são conectados em série, é difícil discriminar o fusível a menos que o fusível tenha diferença significativa de tamanho.

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Diodo Schottky

Diodo Schottky neste projeto não é obrigatório e usado apenas para propósitos de proteção. É principalmente usado como retificadores em inversores de alta frequência e baixa tensão, diodos de proteção de polaridade e diodos de roda livre. Também é chamado de diodo de barreira de superfície, diodo de elétron quente ou diodo de portador quente. É um pouco diferente dos diodos PN junction normais onde metal como platina ou alumínio é usado no lugar de semicondutor tipo P.

No diodo Schottky, semicondutor e metal unidos, formando uma junção metal-semicondutor onde o lado semicondutor atua como cátodo e o lado metal atua como ânodo. Quando a junção metal-semicondutor é formada entre metal e semicondutor, resulta em camada de depleção também referida como barreira de Schottky.

Schottky vem com baixa carga armazenada e exibe menor perda de potência e características mecânicas de maior eficiência. É fabricado de forma que todas as superfícies externas são resistentes à corrosão e terminais são facilmente soldáveis onde a corrente flui em apenas uma direção e para a corrente fluindo na outra direção. A queda de potência que acontece neste diodo é menor que diodos PN junction. Quando tensão é aplicada através dos terminais do diodo, a corrente começa a fluir, resultando em pequena queda de tensão através dos terminais. A menor queda de tensão resulta em maior eficiência e maior velocidade de chaveamento.

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Diodo Zener

Diodo Zener é um tipo de diodo que permite corrente fluir através dele em ambas as direções, diferente de um diodo normal que permite fluxo de corrente apenas em uma direção, que é do ânodo ao cátodo. Este fluxo de corrente na direção oposta acontece apenas quando a tensão através dos terminais excede a tensão de limiar chamada tensão Zener. Esta tensão Zener é uma característica do dispositivo, que governa o efeito Zener que por sua vez governa o funcionamento do diodo.

Diodos Zener têm junção p-n altamente dopada, o que permite o dispositivo funcionar corretamente mesmo quando há tensão reversa aplicada através dele. No entanto, muitos diodos Zener dependem em vez disso de ruptura por avalanche. Ambos os tipos de ruptura ocorrem no dispositivo, a única diferença sendo que o efeito Zener é predominante em tensões mais baixas, enquanto a ruptura por avalanche acontece em tensões mais altas. São usados para gerar fontes de alimentação estabilizadas de baixa potência. Também são usados para proteger circuitos de sobretensão e descarga eletrostática.

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Um diagrama esquemático de um diodo Zener geralmente usado em circuitos é dado abaixo.

Tiristor (SCR)

Tiristor é basicamente um dispositivo de quatro camadas, consiste em dois tipo P e dois tipo N semicondutores alternadamente. A constituição de um Tiristor pode ser mostrada como P-N-P-N. Em sua forma mais básica, um Tiristor tem três terminais: ânodo, cátodo e gate. O gate controla o fluxo de corrente entre ânodo e cátodo. A função primária do Tiristor é controlar potência e corrente elétrica atuando como uma chave.

É principalmente usado como retificador porque pode chavear rapidamente de um estado de condução de corrente para um estado de não condução. Além disso, seu custo de manutenção é baixo e operando sob condições adequadas, permanece funcionando a longo prazo sem desenvolver falha. Tiristores são usados extensivamente e em ampla faixa de circuitos elétricos, desde alarmes de intrusão simples até linhas de transmissão de energia.

Funcionamento de um Tiristor foi estudado extensivamente ao longo dos anos e dados sobre seu funcionamento, que é razoavelmente preciso, é conhecido. Para o tipo mais básico de Tiristor que tem quatro camadas (P-N-P-N) e três junções (PN, NP, PN). Se o ânodo é um terminal positivo com respeito ao cátodo, as junções PN e PN são polarizadas diretamente, enquanto a junção NP central é polarizada reversamente. Portanto, a junção NP bloqueia o fluxo de corrente positiva do ânodo ao cátodo. Diz-se que o Tiristor está em estado de bloqueio direto. Similarmente, o fluxo de corrente negativa é bloqueado pelas junções PN externas. O Tiristor está em estado de bloqueio reverso. Outro estado que um Tiristor pode existir é no estado de condução direta. Neste estado, recebe um sinal suficiente para ligar, e começa a conduzir.

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Um diagrama típico de Tiristor é mostrado na figura acima.

Funcionamento do Circuito Crowbar

Conecte todos os componentes dos valores de corrente dados no circuito corretamente. Um circuito crowbar monitora a tensão de entrada e só age quando ela excede o limite. Quando o limite é excedido, o circuito causa um curto-circuito através das linhas de alimentação e o fusível conectado, feito de metal de baixo ponto de fusão, derrete, interrompendo o circuito. O valor de tensão no qual o curto-circuito acontece depende da Tensão Zener. O SCR no circuito é conectado diretamente através da tensão de entrada e do terra do circuito. No entanto, este SCR é mantido desligado aterrando o terminal de gate do SCR. Quando a tensão Zener é excedida, o diodo Zener começa a conduzir e a tensão é aplicada ao terminal de gate do SCR. A tensão aplicada no terminal de gate do SCR faz ele conduzir e há curto-circuito entre a tensão de entrada e o terra. Este curto-circuito drena a máxima corrente possível do circuito e queima o fusível, isolando a fonte de alimentação da carga.

Este arranjo do circuito salva os componentes e o próprio circuito de sobressalto de tensões, queimando um fusível sacrificial que pode ser substituído muito facilmente.